基于PLC 的綜采設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

郭甘霖

（西山煤電集團(tuán)設(shè)備租賃分公司， 山西 太原 030053）

引言

目前，隨著我國能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，煤炭產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)也在不斷地發(fā)生著變化。煤炭開采的方式主要是以井下開采為主，其中綜采設(shè)備的應(yīng)用也發(fā)生了重大的變化。近幾年出現(xiàn)了大型、智能化的設(shè)備外[1-2]，也研制出了不少關(guān)于提升煤礦井下安全性能的硬件和軟件設(shè)備[3]。

由于隨著開采深度的不斷加深，煤礦井下開采的溫度、濕度和環(huán)境都不斷地發(fā)生著變化，設(shè)備長期處于潮濕、高溫的環(huán)境中，在開采過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)故障停機(jī)的現(xiàn)象，為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障停機(jī)位置和故障原因，需要對(duì)綜采設(shè)備加設(shè)信號(hào)檢測和狀態(tài)的顯示等裝置，保證煤礦井下設(shè)備開采的效率的提升[4]。

1 綜采設(shè)備的組成

根據(jù)目前煤礦企業(yè)的發(fā)展情況，我國大部分煤礦都實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化采煤，綜采設(shè)備成為了每座煤礦的基本配置。并且根據(jù)每座煤礦的煤層厚度、人員數(shù)量以及安全生產(chǎn)的要求都會(huì)選用相匹配的綜采設(shè)備。綜采設(shè)備一般都是由采煤機(jī)。刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)以及帶式輸送機(jī)和液壓支架共同組成整個(gè)煤礦井下開采的整個(gè)系統(tǒng)。根據(jù)不同的開采方式一般采用的開采方法也不同，但是各設(shè)備的主要作用是相同的。采煤機(jī)主要負(fù)責(zé)對(duì)煤壁煤炭的截割，利用其截割部將煤炭從煤壁上破碎成小塊，并且能夠?qū)崿F(xiàn)左右移動(dòng)來調(diào)整對(duì)整個(gè)煤壁的截割。刮板輸送機(jī)主要是將采煤機(jī)從煤壁上截割下來的煤進(jìn)行收集，利用刮板鏈將煤塊輸送至后端的破碎機(jī)。破碎機(jī)將煤塊進(jìn)一步進(jìn)行破碎，破碎成體積更小的狀態(tài)，經(jīng)過轉(zhuǎn)載機(jī)來實(shí)現(xiàn)煤塊從刮板輸送及和帶式輸送機(jī)上的轉(zhuǎn)載。帶式輸送機(jī)是煤礦中的主要運(yùn)輸工具，將煤炭從井下直接運(yùn)輸?shù)骄系脑簜}中。煤礦井下綜采工作面的布置圖如圖1所示。

圖1 綜采工作面的設(shè)備布置圖

2 綜采設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 監(jiān)測對(duì)象及參數(shù)的選擇

通過對(duì)煤礦井下綜采設(shè)備的布置情況和使用的作用，能夠得出綜采設(shè)備在實(shí)際使用過程中主要都是電牽引設(shè)備，電力設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測主要是通過對(duì)其電壓和電流進(jìn)行監(jiān)測就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)整機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。據(jù)此可以確定綜采設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測主要是采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、帶式輸送機(jī)和液壓支架主要的綜采設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)的監(jiān)測。根據(jù)對(duì)綜采設(shè)備的日常使用過程中出現(xiàn)的故障的情況進(jìn)行分析能夠發(fā)現(xiàn)故障的類型主要是可以分為兩種，一種是機(jī)械本身出現(xiàn)的故障，機(jī)械本身結(jié)構(gòu)出現(xiàn)故障大多是由于零件在長時(shí)間的惡劣環(huán)境或者是由于設(shè)備長期使用的磨損產(chǎn)生機(jī)械失效，導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)的失效，從而引起故障，此類故障在實(shí)際操作過程中相對(duì)比較容易發(fā)現(xiàn)，也比較容易迅速更換。另一種是電子電路的故障，電子電路的故障大多是由于電流電壓不穩(wěn)定造成電氣設(shè)備故障，其主要表現(xiàn)為過壓、欠壓或者是短路等故障，這類型的故障往往是導(dǎo)致設(shè)備長時(shí)間停機(jī)的主要原因，針對(duì)此類故障進(jìn)行預(yù)先的監(jiān)測和防范是保證綜采設(shè)備高效運(yùn)行的基礎(chǔ)。基于此在對(duì)綜采設(shè)備狀態(tài)檢測系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行選擇是主要是針對(duì)綜采設(shè)備的電壓和電流進(jìn)行監(jiān)測，同時(shí)為了保證更加準(zhǔn)確和穩(wěn)定，還需要對(duì)變頻器的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)綜采設(shè)備啟停狀態(tài)、頻率以及故障狀態(tài)和原因的準(zhǔn)確及時(shí)監(jiān)測。

2.2 綜采設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測架構(gòu)

為了保證綜采設(shè)備的高效穩(wěn)定運(yùn)行，就需要對(duì)綜采設(shè)備進(jìn)行全方位的狀態(tài)監(jiān)測。綜采設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要是通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、客戶應(yīng)用以及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用四層共同組成的，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)對(duì)綜采設(shè)備的狀態(tài)的整體監(jiān)測。首先是先通過對(duì)各個(gè)設(shè)備的電流、電壓、啟停狀態(tài)和故障狀態(tài)進(jìn)行現(xiàn)場信號(hào)的采集。數(shù)據(jù)的傳輸層主要是指兩層的數(shù)據(jù)傳送，一層是現(xiàn)場信號(hào)傳遞給西門子S7-1214C 型的PLC 的集中控制箱內(nèi)，另一層是西門子S7-1214C 型的PLC 的集中控制箱將信號(hào)傳遞到井下的環(huán)網(wǎng)，并通過交換機(jī)等將信息輸送至地面的過程?？蛻魬?yīng)用層是指用戶能夠在上位機(jī)的畫面上進(jìn)行設(shè)備的狀態(tài)顯示和相關(guān)信息的存儲(chǔ)，客戶能夠利用這些信息進(jìn)行判斷設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)。并且操作人員能夠根據(jù)不同的狀態(tài)對(duì)井下的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控，保證綜采設(shè)備處于正常穩(wěn)定的狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層主要是利用WINCC 軟件的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布作用，將數(shù)據(jù)發(fā)布至服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)對(duì)設(shè)備的監(jiān)測。

2.3 綜采設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的上位機(jī)設(shè)計(jì)

利用WINCC 軟件對(duì)上位機(jī)組態(tài)畫面進(jìn)行設(shè)計(jì)其主要的功能為顯示畫面、存取數(shù)據(jù)、顯示狀態(tài)參數(shù)、分析數(shù)據(jù)以及基礎(chǔ)權(quán)限等的管理功能。畫面顯示主要是對(duì)各設(shè)備的布置情況進(jìn)行模擬，然后在模擬的畫面上對(duì)數(shù)據(jù)的采集進(jìn)行畫面的顯示，這樣狀態(tài)就能夠直觀地顯示出各大綜采設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。存取數(shù)據(jù)是為了將井下綜采設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和記錄，方便以后工作人員的對(duì)設(shè)備歷史狀態(tài)和目前工作狀態(tài)的結(jié)合判斷。數(shù)據(jù)分析功能是為了將方便操作人員對(duì)設(shè)備狀態(tài)分析有著更好的數(shù)據(jù)支持，數(shù)據(jù)分析主要是為了實(shí)現(xiàn)將采集到的時(shí)刻參數(shù)自動(dòng)繪制成曲線圖，方便操作人員觀察和分析。基礎(chǔ)權(quán)限主要是指管理系統(tǒng)內(nèi)部的用戶的使用和系統(tǒng)模塊參數(shù)的設(shè)備等輔助功能的實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)的功能圖如圖2 所示。

圖2 上位機(jī)的功能組成圖

3 結(jié)語

為了使煤炭的開采更加高效、安全，對(duì)煤礦井下的綜采設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化和智能化改造。根據(jù)對(duì)煤礦井下綜采設(shè)備的布置和各設(shè)備的主要作用的深入認(rèn)識(shí)，進(jìn)而提出了綜采設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，綜采設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)主要是由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、客戶應(yīng)用以及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用四層架構(gòu)組成，實(shí)現(xiàn)了以西門子S7-1214C 型的PLC 為核心的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。通過利用WINCC 軟件對(duì)上位機(jī)組態(tài)畫面進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互的功能設(shè)計(jì)。基于綜采設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效地提升設(shè)備的運(yùn)行效率，降低設(shè)備故障率，提高煤炭的開采效率，增加煤礦的經(jīng)濟(jì)效益。